GStar-I(DZN2)型自动土壤水分观测仪——维护手册1.doc

此文档收集于网络，如有侵权请联系网站删除GStar-（DZN2）型自动土壤水分观测仪日常维护手册河 南 省 气 象 科 学 研 究 所中国电子科技集团公司第27研究所二0一一年三月目 录目 录21. 概述22. 仪器常规检查32.1 利用浏览软件查看仪器运行情况32.2 现场检查流程43. 日常维护事项63.1 场地维护63.2 仪器维护83.3日常维护注意事项104. 常见故障解析104.1 采集器故障判别104.2 传感器故障判别115. 案例解析汇总125.1 GStar-（DZN2）A型仪器报文无法生成125.2 传感器安装环境被破坏会严重影响观测精度125.3 冻土会造成数据异常偏低145.4 数据出现规律性中断145.5 传感器周围异物影响数据观测145.6土壤板结裂缝造成异常166. 问题和建议181. 概述土壤水分的观测，是农业气象、生态环境及水文环境观测的基础性工作之一，掌握土壤水分变化规律，对农业生产、干旱监测预测和其他相关生态环境监测预测服务及理论研究都具有重要意义。中国气象局正在组建以固定式自动土壤水分观测仪为主，以便携式土壤水分观测仪为辅的全国土壤水分自动观测网，以满足现代农业气象业务和干旱监测服务的需求。目前，全国气象部门已初步建成了站点分布较为广泛的土壤水分观测网络，能够提供初步的自动化土壤水分观测服务。其中截止2010年底，由河南省气象科学研究所、中国电子科技集团公司第27研究所共同研制的GStar-（DZN2）型自动土壤水分观测仪（专利号：ZL 200720090099.4）布设数量为700余套。通过两年来的运行，对台站出现的各种问题进行了总结归纳，发现大多数问题是维护不到位造成的，部分是仪器自身故障。良好的维护工作，可保证仪器及时、准确采集数据，减少故障发生的几率，对常见故障及时发现、排除，可减少数据缺报、误报的可能，这都将使仪器发挥其最佳的效能，能够提供更好的自动化土壤水分观测服务。2. 仪器常规检查2.1 利用浏览软件查看仪器运行情况值班人员应每天通过自动土壤水分观测系统软件查看本站仪器运行情况，查看数据是否能够整点上传，土壤水分监控模式界面（如图1）；单站多层逐时土壤水份曲线可查询本站数据是否完整，分析数据走势是否正常，如图2所示为传感器出现异常；如有降水或灌溉而仪器数据未有明显反应或未降水数据出现较大波动都属异常情况，如发现数据不完整、缺资料或其他异常情况，应及时赶到仪器现场进行查看。图1 土壤水分监控模式图2 数据走势异常2.2 现场检查流程仪器的现场检查首先要查看仪器是否完整，每个部件及其连接线是否正常，仪器是否有损坏。确认仪器完整后可进一步检查采集器及供电系统，查看供电模块及采集器板的显示状态，见图34。图3 供电模块指示状态图3为供电系统的正常指示状态。当打开或关闭电源开关时，显示窗口中的正确模式应为“6.”，如为其他模式则会影响仪器正常运行，造成无法启动或数据间断；左边绿灯为太阳能板供电正常，中间绿灯为电池电压正常，右边橙色指示为电路板供电正常；如中间指示灯显示黄色，则是电池欠压，红色则严重欠压无法工作，右边指示灯如不亮则有可能是电源开关未打开。图4 采集器板的显示状态图4为采集器板的正常显示状态。绿灯为GPRS通讯指示灯，黄色为采集器运行指示灯，红色为电源指示灯；一般状态下刚开机红灯和黄灯点亮，绿灯因为GPRS模块要搜索网络，正常情况下3分钟以内会点亮，如绿灯一直不亮，则可检测通讯卡是否欠费，如未欠费，则进一步检查该地区GPRS网络是否通畅。当检查发现采集器板指示状态正常，而无数据上传，或上传的数据有异常，应对传感器进行检查。先关闭电源开关，打开保护盖，将传感器拔插查看是否有进水的迹象，如果传感器铜环有水珠或锈蚀，则可判断传感器套管进水，造成传感器损坏，应及时进行防水处理，更换传感器。如图5所示即为传感器保护套管进水受潮引起的数据异常波动，当套管进水或严重受潮后传感器的电子元件出现了锈蚀、短路现象，无法正常测量数据，甚至无数据上传。图5 传感器套管进水引起的数据跳变3. 日常维护事项3.1 场地维护 GStar-（DZN2）型自动土壤水分观测仪的安装场地有固定地段和作物地段之分，在不同地段安装运行时其对场地的要求也各不相同，由于仪器要对其安装场地内的土壤水分进行测量，因此，对场地环境要求较高，仪器均安装在当地具有代表性的地块内，做好场地的日常维护，保持良好的观测环境是精确测量土壤水分的关键。在固定地段安装的仪器，是为了研究该地区的土壤水分平衡及其时空变化规律，因此所设置的土壤湿度观测地段应是长期固定的、无灌溉状态下的、能反映当地自然下垫面的地段。在作物地段安装的仪器，观测场内要和周边大田环境保持一致，场内也需种植与农田内同类型的农作物，但进行农田耕作时需注意避开土壤水分传感器及通讯电缆，进行灌溉时场地内外也要保持灌溉量一致。有些地区表层土壤尤其是粘土发生严重干旱时会出现龟裂现象（如图6），如发生龟裂，应及时处理，否则传感器与土壤之间出现较大空隙，仪器观测数据将会严重偏低，甚至达到零值。龟裂的处理方法需将传感器周围20内的土壤挖开至未开裂的深度，然后在附近选取松散的潮湿土壤进行回填，并将回填土压实，确保土壤与传感器套管紧密接触（见图7-8）。因为安装好的传感器的深浅位置是经过计算且要固定的，所以对表层龟裂土壤处理时，传感器保护盖下沿要保持与土壤有2的距离，过大或过小都会引起测量误差。传感器及其周围土壤严禁使用任何诸如杂草、沙石等物质覆盖，否则将会影响传感器周围土壤的蒸发或降水渗透，造成仪器观测数据无代表性。图6 表层土壤发生龟裂图7 龟裂处理过程图8 龟裂处理完成的传感器3.2 仪器维护由于GStar-（DZN2）型自动土壤水分观测仪的数据通过有线或无线网络自动向中心站上传，无需人工操作，因此日常只需对仪器硬件部分进行一定的维护即可。（1）每年定期将传感器从PVC安装套管中取出检查一次，查看管内是否有受潮或进水情况，如有水滴，需要清除干净并进行防水处理，检查时应将传感器内放置的干燥剂进行更换，安装套管内受潮或进水都会影响传感器的正常工作。雨季来临或进行农田灌溉前应仔细检查传感器安装套管的防水情况，并用704硅橡胶对管壁与保护帽的接口处、接线口、螺丝口等处进行防水加固处理，如图9所示。图9 防水密封处理过程（2）每月现场检查一次采集器箱，查看是否进水或沉积灰尘，定期对采集板进行除尘处理。空气中含有一定的灰尘，由于静电的作用易在电路板及电子元件上产生积尘，造成设备散热不良，影响性能，甚至会被烧坏，如有灰尘沉积则要及时清除干净；太阳能板上的灰尘或积雪等杂物应及时清除（如图10），否则会影响电池的正常充电。图10 清除太阳能板灰尘3.3日常维护注意事项自动土壤水分观测仪一般安装在在作物地段，按照自动土壤水分观测规范要求，传感器周边与大田的土壤状况应当一致；而且，由于传感器周边土壤长期不耕作，容易产生龟裂；因此，土壤水分站的日常维护特作出如下要求：1、每年农田耕作时，土壤水分传感器周边半径0.5米范围内用铲子做一下翻土，深度20-30cm, 将土块砸碎，按照原土层回填压实，压实后上面覆1-2cm的虚土。2、每当降水超过20mm或灌溉停止72小时后，对传感器周边半径0.5米范围进行一次松土，以防土壤龟裂产生。3、如果传感器周边土壤已有龟裂发生，可将传感器周边半径0.5米范围内的土壤取出，深度10-20cm（具体可根据龟裂影响深度而定），将土块砸碎，按照原土层回填压实，压实后上面覆1-2cm的虚土。4. 常见故障解析4.1 采集器故障判别（1）供电检查。查看电源指示灯是否常亮，如果不亮，检查采集器板的电源端子是否连接松动，接线是否牢靠，拔掉重新接线，插上电源端子，如果还不能启动，用万用表测量蓄电池电压是否正常（正常范围为12V15V），如不正常则需更换蓄电池，如电压正常，则说明主机板故障，需更换主机板。（2）采集程序运行检查。运行指示灯是否正常闪烁，如不闪烁，则主机板故障，需更换主机板。（3）串口通讯检查。使用调试软件通过RS232接口与采集器通讯，首先进行读时钟操作（注：由于GPRS采集器会时刻检测与GPRS服务器的链接状态，有时会影响RS232通讯，但一旦检测到RS232通讯，至少在3min内不再检测与GPRS服务器的链接状态，这期间不会影响RS232通讯），如果连续读时钟正常，日期也正确，则说明采集器串口通讯正常。（4）GPRS通讯检查。查看指示灯是否常亮，如不亮，应检查SIM卡安装是否正确、是否欠费停机，检查该地区的GPRS信号状况；检查GPRS天线的接口是否脱落，如果脱落，重新安装即可；通过RS232接口读取服务器IP地址和端口，如不正确，重新设置；如果以上各项检查都正常，仍无法登陆服务器，则可判断GPRS模块出现故障，需更换采集板。4.2 传感器故障判别（1）接线端子检查。检查跳线帽是否脱落，用手按压各层传感器和主机板相连的排线插针，确保各个连接器件之间连接可靠。（2）传感器外观检查。在彻底断电的情况下，查看传感器电路板与两个铜环极板之间的连接线是否脱落，如脱落，可用烙铁焊接；传感器卡槽松动或损坏、RS485接口损坏、传感器处理板损坏、连接排线松动等问题都可能导致传感器与采集器通讯无法正常连接，调试软件将无法与传感器进行通讯调试。（3）软件调试。传感器出现问题，将直接导致数据出现奇异值或走势异常。使用自动土壤水分观测系统软件浏览土壤水分值，如果某个层次的水分值异常偏高或过低，则读取该层的传感器频率值，正常范围应在3080MHZ，若频率值超出此范围，则说明该层传感器可能接触有问题或已经损坏，若对传感器加固仍无法解决则需更换该层传感器。5. 案例解析汇总5.1 GStar-（DZN2）A型仪器报文无法生成GStar-（DZN2）A型自动土壤水分观测仪采用有线网络传输数据，有时会出现采集数据正常而上传报文数据无法生成的情况，这是由于仪器运行时间较长，生成的报文数量过多，超出Windows系统的文件夹最大文件数量限制，将备份报文进行压缩整理即可解决此问题。因此，定期对报文数据进行归档整理，可保持数据的传输畅通。5.2 传感器安装环境被破坏会严重影响观测精度有些台站担心仪器遭受破坏，对传感器采取了一定措施进行保护，如对传感器进行遮盖或用土掩埋，但这些措施却会严重影响传感器测量，如图11所示，传感器被石板遮盖，当有降水时，周边农田水分含量较大，但传感器感应部分含水量却无较大变化。图11 传感器被遮盖影响观测数据图12 传感器被土掩埋过深影响观测精度按照规范传感器保护盖下沿要保持与土壤有2的距离（如图8所示）。而图12所示，传感器保护盖已被掩盖过半，这将造成传感器测量位置的错位，有些台站未通过业务考核与此有很大关系，因为仪器观测的10层次和人工取土的10并不对应，甚至会与人工取土的20相对应，这给标定及数据对比带来很大的麻烦，如图13所示，传感器的地面部分已经被土壤彻底覆盖，将会严重平行观测与标定的效果。因此，对传感器安装场地也要做好相应的维护工作。图13 传感器被土壤覆盖（左）及正常状态（右）5.3 冻土会造成数据异常偏低北方大部分台站到了冬季会发现各层的数据逐步降低，这种情况并非传感器出现故障，而是由于冻土影响造成的。由于FDR型传感器是通过测量土壤的介电常数来反演土壤水分，由于水的介电常数远远大于冰晶，当土壤中水分冻结时，会造成测量结果偏小，因此，冬季出现冻土时测量结果偏小属于正常现象。如图14即为冻土发生演变时的土壤水分变化曲线。此时测量的并非真实的土壤水分，数据不能用于干旱监测业务服务，但可用于粗略估计冻土深度。图14 发生冻土时的土壤水分变化趋势5.4 数据出现规律性中断某些台站会出现规律性的数据中断，一般是有两种情况造成。一是电源控制器的模式设置错误，在不同的模式下控制器会自动控制采集器的供电时间，所以出现数据规律性中断时应检查控制器是否为正确模式 “6.”；二是蓄电池可能出现问题，可储存的电量过少，当白天有太阳时，在太阳能板的持续充电作用下可正常工作，当晚上无太阳能板充电时，储存的电量很快就耗尽，这种情况下应及时更换蓄电池。测量检查电池电压时，应选在日出之前进行。5.5 传感器周围异物影响数据观测传感器周围土壤中的石块、铁块等异物都会影响数据监测。有些台站发现某些层次的数据比较异常，通过开挖传感器周边土壤发现，传感器周边土壤质地不均匀，含有石块等异物，这会严重影响数据观测，造成观测结果偏小，如图15所示，石块紧贴传感器安装套管。还有一些台站的传感器周边异物系人为原因设置，如图16所示，该站将防雷角铁插在传感器旁边，严重影响了传感器的测量频率。如果台站发现某些层次数据异常，在排除传感器自身故障后，可对传感器土层开挖检查是否有异物，但这种方法要谨慎操作，一旦开挖，传感器需重新进行安装。图15 传感器周边的石块图16 传感器周边的防雷角铁5.6土壤板结裂缝造成异常实地调查中发现有些台站土质为粘土，阶段降水偏少时，表层土壤水分含量下降较快，表层土壤出现龟裂现象，造成传感器套管的管壁与土壤接触不好，引起测量误差； 图17平舆站裂缝较为明显 （左）；此站传感器位于地垄裂缝上（右）台站的场地维护工作还需要进一步加强，有些台站传感器的位置外露过多，有些则过少，这都会加大仪器测量数据与实测数据对比的误差；图18舞钢站维护前土壤下陷(左)；舞钢站维护后（右）通过对几个台